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        海域公路路基沉降特性研究

        2016-07-26 07:41:07徐建勇浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院錢麗英李仁智浙江浙交檢測有限公司劉旭王福喜河海大學巖土工程科學研究所
        珠江水運 2016年10期

        ◎ 徐建勇 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院錢麗英 李仁智 浙江浙交檢測有限公司劉旭 王福喜 河海大學巖土工程科學研究所

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        海域公路路基沉降特性研究

        ◎ 徐建勇浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院
        錢麗英 李仁智浙江浙交檢測有限公司
        劉旭 王福喜河海大學巖土工程科學研究所

        摘要:海域公路路基通常面臨高填方、地質(zhì)條件差等多重不利因素的影響,導致其工后沉降偏大,影響正常使用。對工后沉降較大的路基進行一定的預拋高處理,將有效節(jié)約路面后期使用及維護成本;而進行預拋高計算的關(guān)鍵,在于對路堤沉降發(fā)展趨勢的預測。利用土體固結(jié)理論推導建立的土體固結(jié)預測模型,已是陸域公路沉降預測常用的方法之一;通過對海域公路路堤應用該計算模型進行分析與預測,對工程建設(shè)提出合理化建議,并以工后一年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗該計算模型,得出結(jié)論:該計算模型在海域公路路基沉降預測中,具有較好的準確度。本文在此預測模型基礎(chǔ)上利用SP1.0軟件編制沉降預測程序,并通過某實際工程驗證了程序的準確性。

        關(guān)鍵詞:固結(jié)理論 沉降預測 預拋高 海域路堤

        1.引言

        隨著國內(nèi)、國際貿(mào)易的進一步發(fā)展,國民經(jīng)濟對港口的需求也越來越高。由于大陸海岸線水深限制,許多深水港只能建在近海的島嶼上,那么其疏港公路的海域部分通常會有海域路堤或跨海大橋形式。其中海域路堤兩側(cè)臨海,通常面臨著高填方及深厚軟土的雙重影響,加上項目建設(shè)周期有限,使路堤的沉降量在施工期無法充分發(fā)生;這些因素將導致路堤工后沉降偏大,路面、防浪墻標高低于設(shè)計值,致使疏港公路在風大潮高期無法正常使用。在施工期(預壓期)較為有限的情況下,適當對路堤進行預拋高處理,將有效的節(jié)約后期路堤的使用及維護成本,提高工程質(zhì)量。

        目前路堤沉降的監(jiān)測資料分析、預測主要方式有兩類:①通過監(jiān)測資料時間序列的變化趨勢預測海堤工后沉降的過程,如經(jīng)驗公式法、Asaoka法、灰色理論等己在該領(lǐng)域得到了應用,但這些模型的參數(shù)概念并不清楚,缺乏對土體沉降機制上的認識;②對采集的土樣進行室內(nèi)土工試驗,確定地基土的固結(jié)系數(shù)后,通過太沙基固結(jié)理論推求現(xiàn)場土層沉降過程。由于室內(nèi)試驗條件與現(xiàn)場土層條件、荷載分布情況存在較大差異,且室內(nèi)土工試驗受到取土質(zhì)量、試樣代表性、試驗技術(shù)水平及計算方法等各因素的影響,造成室內(nèi)試驗得到的固結(jié)系數(shù)與實際情況有較大出入,從而影響海堤沉降預測結(jié)果的可信度。此外,目前路堤沉降研究對象多為陸域公路路堤,而直接對海域路堤的研究較少。

        本文依托某實際工程段海域路堤部分為研究對象,就嘗試以基于土體固結(jié)理論建立起來的計算模型,來分析并預測海域路堤沉降的發(fā)生過程及趨勢,對路基路面施工提供合理化建議,并評估計算模型的適用性。

        2.項目概況

        某實際工程2標段大部分路堤和3標段全部路堤均為海域路堤段,該段采用二級公路標準,設(shè)計速度為80km/h,路基寬度12.0m。本文針對這兩個標段的分界點K5+500斷面進行沉降分析預測。

        2.1斷面地質(zhì)概況

        圖1 項目概覽 

        圖2 工程地質(zhì)縱斷面圖

        圖3 K5+500橫斷面斷面設(shè)計示意圖

        2.2斷面設(shè)計概況

        K5+500路基橫斷面兩側(cè)各設(shè)有2級反壓護道,總寬達130m,路基面寬為12m;軟基處理方式為塑排板+等載預壓,塑排板處理深度30m(未打穿軟土層),間距1.2m;該觀測斷面設(shè)置5個沉降觀測點。其斷面示意圖如下:

        該路段路面設(shè)計高程7.92m,設(shè)計預壓方式為等載預壓,考慮到后期沉降補方因素,于2013年初將預壓荷載填至8.5m左右。至2014年中預壓期結(jié)束時,路面高程降至8.1m左右,此時路基路中沉降速率仍有20mm/月。這樣情況下直接卸載鋪設(shè)路面,可能導致工后沉降偏大,影響路面標高,后期用瀝青層加鋪代價較大,這種情況下對路基進行預拋高是比較經(jīng)濟的選擇。

        3.計算模型的建立和預測

        3.1太沙基固結(jié)理論

        早在1925年,太沙基就建立了單向固結(jié)基本微分方程,并獲得了一定初始條件和邊界條件下的解析解,這一方程迄今仍被廣泛應用。

        多級加載下,天然地基平均固結(jié)度按下式計算:

        其中:h為土層最大豎向排水距離,單面排水情況即軟土層的厚度;Cv為土體豎向固結(jié)系數(shù)。

        多級加載下,砂井打穿軟基平均固結(jié)度按下式計算:

        式中 bsz——計算參數(shù)函數(shù),

        其中:Th為土體水平固結(jié)時間因子,

        FJ、G分別為考慮涂抹和井阻效應的因子。

        3.2平均固結(jié)度表達式

        在海域公路路基通常為深厚軟基,多為砂井未打穿軟土層情況,其多級加載平均固結(jié)度按下式計算:

        多級加載平均固結(jié)度按下式計算:

        式中:U1、U2——分別為砂井處理層與下臥層的固結(jié)度。

        整體平均固結(jié)度的求解:

        因為海涂通常地址為深厚軟土,故假設(shè)壓縮層軟土為均質(zhì),且計算深度取值夠深,則路堤荷載產(chǎn)生的有效應力按三角形分布,根據(jù)分層總和法有:

        設(shè)處理層沉降量對總沉降量的貢獻率為 q ,則

        其中:S、S1、S2——分別為總沉降量、處理層沉降量和下臥層沉降量。

        于是可得地基整體平均固結(jié)度,

        以 ax,bz,bsz為參數(shù)進行反演,便可得到塑排板未打穿軟土層時地基平均固結(jié)度的計算公式。

        4.程序的編制、功能及使用

        4.1程序界面及使用

        軟件功能及使用方法簡介:

        程序運行后,得到圖4界面;在“數(shù)據(jù)管理總表”中可羅列需要計算和管理的段落號,鼠標右鍵點擊總表可對段落信息進行“添加”、“編輯”、“刪除”操作。

        雙擊段落號對應的“表頭”可以打開該段落數(shù)據(jù),并可在“標簽管理”中選擇需要查看段落數(shù)據(jù)。

        選擇需要查看的段落數(shù)據(jù)后,便得到圖5界面。在樁號列表中羅列已經(jīng)記錄的樁號斷面資料,點擊列表中的樁號可分別查看各樁號詳細信息。

        在地基處理方式信息欄中,選擇地基處理方式,包括“天然地基”、“塑排板”、“柔性樁”和“剛性樁”。在計算塑排板處理地基時,“直徑”應輸入等效直徑。計算深度一般取可壓縮土層厚度。設(shè)計使用荷載為路堤荷載加上路面結(jié)構(gòu)物換算荷載,該參數(shù)用于計算超載比,若不需要計算有效超載比,該項可不填或隨便填一個非“0”值。

        圖4 程序操作界面

        圖5 數(shù)據(jù)總表

        圖6 編輯數(shù)據(jù)

        圖7 標段數(shù)據(jù)打開 

        圖8 樁號列表

        圖9 地基處理方式信息欄

        圖10 加載信息輸入表

        圖11 預測方式信息欄 

        圖12 結(jié)果輸出表

        圖13 功能鍵

        圖14 狀態(tài)欄

        在荷載信息欄中,填入荷載變化信息。需要注意的是:結(jié)束天數(shù)≥開始天數(shù),并且小于下一級荷載的開始天數(shù)。當某一級荷載填筑開始天數(shù)=結(jié)束天數(shù),就認為該級荷載為瞬時加載。

        在預測信息欄中輸入預測參數(shù)。其中“控制標準”用于預測路基的穩(wěn)定,范圍0~8,當選擇控制標準為“0”時,程序不進行路基穩(wěn)定分析。“預測點個數(shù)”范圍為10~50,“步長”為兩個預測點間相隔的天數(shù),范圍10、15、20……90。

        空程序默認從最后一次實測數(shù)據(jù)開始預測,步長為預測點間隔,單位為(天)。例如:某斷面最后一次實測數(shù)據(jù)為第200天,步長設(shè)為30,則預測點天數(shù)為230、260、290……。若需要較大預測點天數(shù),可以在結(jié)尾中填入想要的天數(shù)。例如,想預測15年后沉降量,和無窮天后沉降量,則可以在“結(jié)尾”處輸入“5500100000”;各數(shù)從小到大排列,以空格符分開,個數(shù)小等于預測點個數(shù)即可。

        在沉降預測欄中,需要手動填入實測天數(shù)和對應的沉降量,即圖12中框起的部分。其它數(shù)值均為計算所得,無需填寫。程序計算結(jié)果將顯示在此表中。

        程序計算界面提供3個功能按鈕,分別為“計算”、“繪圖”、“保存”。

        當實測數(shù)據(jù)輸入完畢后,點擊“計算”進行沉降預測計算,并根據(jù)需要分析路堤穩(wěn)定性?!袄L圖”按鈕提供將計算結(jié)果輸出到Excel文件,并自動繪出沉降與加載曲線。

        計算分析完畢后,在界面狀態(tài)欄中顯示計算過程內(nèi)部參數(shù)的取值。供研究人員對計算結(jié)果進行人工分析,以便獲得更準確的計算結(jié)果。

        4.2程序準確性驗證

        選取申嘉湖高速公路練杭段3個代表性斷面,分別使用SP1.0進行沉降預測,結(jié)果如下:斷面1,K6+515。地基處理方式:直徑16cm塑料套管樁,處理深度19m間距1.7m。采用符合地基預測模型,根據(jù)工程地質(zhì)資料,計算深度取值25m。通過448天的觀察數(shù)據(jù)進行預測結(jié)果如圖15。最后觀測數(shù)據(jù)為747天,從圖中可以看出,預測模型能較好的計算得到沉降發(fā)展曲線。

        圖15 K6+515時間-荷載-沉降量關(guān)系圖

        圖16 K10+980時間-荷載-沉降量關(guān)系圖

        圖17 K28+370時間-荷載-沉降量關(guān)系圖 

        圖18 實測沉降預測沉降曲線對比

        斷面2,K10+980。地基處理方式:塑排加超載預壓,塑料排水板打設(shè)深度22米間距1.4m。采用塑排(砂井)地基預測模型,根據(jù)工程地質(zhì)資料,計算深度取值32m。通過554天的觀察數(shù)據(jù)進行預測結(jié)果如圖16。最后觀測數(shù)據(jù)為916天,從圖中可以看出,預測模型能較好的計算得到沉降發(fā)展曲線。

        斷面3,K28+370。地基處理方式:水泥攪拌樁樁長12m,間距1.3m。采用復合地基計算模型進行沉降預測。根據(jù)工程地質(zhì)資料,取計算深度15m。通過375天沉降觀測數(shù)據(jù)進行預測,結(jié)果如圖17。最后觀測數(shù)據(jù)為661天,從圖中可以看出,預測模型能較好的計算得到沉降發(fā)展曲線。

        以上3個案例分別從復合地基和砂井地基的角度對程序的準確性進行佐證。其預測相關(guān)性均高于0.99,充分體現(xiàn)了SP1.0的優(yōu)良可靠性。

        5.沉降分析預測

        利用根據(jù)上述計算理論編制的程序,結(jié)合K5+500斷面3年多的沉降觀測資料進行分析預測,結(jié)果可見圖18。

        該路段預壓期于2014年6月結(jié)束開始路面施工,該路段為了減少工后路面的維護成本,對路基進行了預拋高處理,拋高35cm,設(shè)計沉平時間為3年,并于2014年8月完成路面施工。從2014年8月至2015年8月的一年內(nèi)實測工后沉降數(shù)據(jù)看,預測沉降量為17.2cm,實測沉降量為16.5cm,預測沉降與實測值較為貼近。預測至2017 年8月,路基工后沉降量為34.5cm,基本滿足預拋高設(shè)計要求。

        該項目多數(shù)其它路段沉降預測效果與K5+500斷面類似,本文不再贅述;個別斷面因沉降板被破壞,沉降觀測記錄不完整,對其所進行的沉降預測效果一般。

        6.結(jié)語

        在高填方、深厚軟基的海域路堤的施工中,由于荷載高和土質(zhì)差等多重因素,導致路堤的沉降收斂過程可能非常緩慢,在沒有充裕時間進行堆載預壓的情況下,通過對路基進行適當?shù)念A拋高,可以有效降低使用后期的維護成本,確保工程質(zhì)量。進行預拋高計算的關(guān)鍵在于對路堤沉降發(fā)展趨勢的預測。

        本文針對某實際工程段K5+500斷面,利用3年多的實測沉降數(shù)據(jù),應用基于土體固結(jié)理論推導建立的土體固結(jié)預測模型,分析預測該斷面的工后沉降,并提出該路段相應路基預拋高值;后經(jīng)過工后一年的沉降觀測數(shù)據(jù),檢驗了之前工后沉降預測的準確性;這說明,在有較完整沉降觀測記錄的情況下,此預測模型有著較好的沉降預測準確性,該模型能夠適用于高填方、深厚軟基的海域路堤工況;并且針對該預測模型,本文利用SP1.0軟件編制沉降預測程序,通過申嘉湖高速練杭段驗證了程序的準確性,證明該程序能適用于不同的地基處理條件如:天然地基、排水板地基、復合地基(柔性樁、剛性樁)。

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